JP2022071494A - ひずみゲージ - Google Patents
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Abstract
【課題】配線を被覆する絶縁樹脂層からの水分の浸透を抑制可能なひずみゲージを提供する。【解決手段】本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材上に形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、前記抵抗体と電気的に接続された配線と、前記基材上に形成され、前記抵抗体及び前記配線を被覆する絶縁樹脂層と、を有し、前記絶縁樹脂層は、上面から前記基材の方向に窪む複数の凹部を備えている。【選択図】図2
Description
本発明は、ひずみゲージに関する。
測定対象物に貼り付けて、測定対象物のひずみを検出するひずみゲージが知られている。ひずみゲージは、ひずみを検出する抵抗体を備えており、抵抗体は、例えば、基材上に形成されている。抵抗体は、例えば、配線を介して、電極と接続されている。又、ひずみゲージは、基材上に、例えば、抵抗体や配線を被覆する絶縁樹脂層を備えている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、例えば、ひずみゲージを高温高湿環境で使用すると、水滴が絶縁樹脂層の上面に付着して蒸発することで、絶縁樹脂層の上面の汚れを集めて濃縮してしまう場合がある。汚れが濃縮されると、酸又はアルカリに傾いた基点が発生して絶縁樹脂層を劣化させ、結果的に、水分の浸透により、絶縁樹脂層に被覆された配線の腐食を引き起こしてしまう。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、配線を被覆する絶縁樹脂層からの水分の浸透を抑制可能なひずみゲージを提供することを目的とする。
本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材上に形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、前記抵抗体と電気的に接続された配線と、前記基材上に形成され、前記抵抗体及び前記配線を被覆する絶縁樹脂層と、を有し、前記絶縁樹脂層は、上面から前記基材の方向に窪む複数の凹部を備えている。
開示の技術によれば、配線を被覆する絶縁樹脂層からの水分の浸透を抑制可能なひずみゲージを提供できる。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第1実施形態〉
図1は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。図2は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図1のA-A線に沿う断面を示している。図3は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図1のB-B線に沿う断面を示している。図4は、第1実施形態に係るひずみゲージのカバー層を例示する部分斜視図である。図1~図4を参照すると、ひずみゲージ1は、基材10と、抵抗体30と、配線40と、電極50と、カバー層60とを有している。なお、図1では、便宜上、カバー層60の外縁のみを破線で示している。
図1は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。図2は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図1のA-A線に沿う断面を示している。図3は、第1実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図1のB-B線に沿う断面を示している。図4は、第1実施形態に係るひずみゲージのカバー層を例示する部分斜視図である。図1~図4を参照すると、ひずみゲージ1は、基材10と、抵抗体30と、配線40と、電極50と、カバー層60とを有している。なお、図1では、便宜上、カバー層60の外縁のみを破線で示している。
なお、本実施形態では、便宜上、ひずみゲージ1において、基材10の抵抗体30が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体30が設けられていない側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗体30が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体30が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。但し、ひずみゲージ1は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置できる。又、平面視とは対象物を基材10の上面10aの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材10の上面10aの法線方向から視た形状を指すものとする。
基材10は、抵抗体30等を形成するためのベース層となる部材であり、可撓性を有する。基材10の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、5μm~500μm程度とすることができる。特に、基材10の厚さが5μm~200μmであると、接着層等を介して基材10の下面に接合される起歪体表面からの歪の伝達性、環境に対する寸法安定性の点で好ましく、10μm以上であると絶縁性の点で更に好ましい。
基材10は、例えば、PI(ポリイミド)樹脂、エポキシ樹脂、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂、PEN(ポリエチレンナフタレート)樹脂、PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂、PPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂、LCP(液晶ポリマー)樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成できる。なお、フィルムとは、厚さが500μm以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。
ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材10が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材10は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。
基材10の樹脂以外の材料としては、例えば、SiO2、ZrO2(YSZも含む)、Si、Si2N3、Al2O3(サファイヤも含む)、ZnO、ペロブスカイト系セラミックス(CaTiO3、BaTiO3)等の結晶性材料が挙げられ、更に、それ以外に非晶質のガラス等が挙げられる。又、基材10の材料として、アルミニウム、アルミニウム合金(ジュラルミン)、チタン等の金属を用いてもよい。この場合、金属製の基材10上に、例えば、絶縁膜が形成される。
抵抗体30は、基材10上に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。抵抗体30は、基材10の上面10aに直接形成されてもよいし、基材10の上面10aに他の層を介して形成されてもよい。なお、図1では、便宜上、抵抗体30を濃い梨地模様で示している。
抵抗体30は、複数の細長状部が長手方向を同一方向(図1のA-A線の方向)に向けて所定間隔で配置され、隣接する細長状部の端部が互い違いに連結されて、全体としてジグザグに折り返す構造である。複数の細長状部の長手方向がグリッド方向となり、グリッド方向と垂直な方向がグリッド幅方向(図1ではB-B線の方向)となる。
グリッド幅方向の最も外側に位置する2つの細長状部の長手方向の一端部は、グリッド幅方向に屈曲し、抵抗体30のグリッド幅方向の各々の終端30e1及び30e2を形成する。抵抗体30のグリッド幅方向の各々の終端30e1及び30e2は、配線40を介して、電極50と電気的に接続されている。言い換えれば、配線40は、抵抗体30のグリッド幅方向の各々の終端30e1及び30e2と各々の電極50とを電気的に接続している。
抵抗体30は、例えば、Cr(クロム)を含む材料、Ni(ニッケル)を含む材料、又はCrとNiの両方を含む材料から形成できる。すなわち、抵抗体30は、CrとNiの少なくとも一方を含む材料から形成できる。Crを含む材料としては、例えば、Cr混相膜が挙げられる。Niを含む材料としては、例えば、Cu-Ni(銅ニッケル)が挙げられる。CrとNiの両方を含む材料としては、例えば、Ni-Cr(ニッケルクロム)が挙げられる。
ここで、Cr混相膜とは、Cr、CrN、Cr2N等が混相した膜である。Cr混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。
抵抗体30の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、0.05μm~2μm程度とすることができる。特に、抵抗体30の厚さが0.1μm以上であると、抵抗体30を構成する結晶の結晶性(例えば、α-Crの結晶性)が向上する点で好ましい。また、抵抗体30の厚さが1μm以下であると、抵抗体30を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材10からの反りを低減できる点で更に好ましい。抵抗体30の幅は、抵抗値や横感度等の要求仕様に対して最適化し、かつ断線対策も考慮して、例えば、10μm~100μm程度とすることができる。
例えば、抵抗体30がCr混相膜である場合、安定な結晶相であるα-Cr(アルファクロム)を主成分とすることで、ゲージ特性の安定性を向上できる。又、抵抗体30がα-Crを主成分とすることで、ひずみゲージ1のゲージ率を10以上、かつゲージ率温度係数TCS及び抵抗温度係数TCRを-1000ppm/℃~+1000ppm/℃の範囲内とすることができる。ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の50重量%以上を占めることを意味するが、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体30はα-Crを80重量%以上含むことが好ましく、90重量%以上含むことが更に好ましい。なお、α-Crは、bcc構造(体心立方格子構造)のCrである。
又、抵抗体30がCr混相膜である場合、Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2Nは20重量%以下であることが好ましい。Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2Nが20重量%以下であることで、ゲージ率の低下を抑制できる。
又、CrN及びCr2N中のCr2Nの割合は80重量%以上90重量%未満であることが好ましく、90重量%以上95重量%未満であることが更に好ましい。CrN及びCr2N中のCr2Nの割合が90重量%以上95重量%未満であることで、半導体的な性質を有するCr2Nにより、TCRの低下(負のTCR)が一層顕著となる。更に、セラミックス化を低減することで、脆性破壊の低減がなされる。
一方で、膜中に微量のN2もしくは原子状のNが混入、存在した場合、外的環境(例えば高温環境下)によりそれらが膜外へ抜け出ることで、膜応力の変化を生ずる。化学的に安定なCrNの創出により上記不安定なNを発生させることがなく、安定なひずみゲージを得ることができる。
配線40は、基材10上に形成され、抵抗体30及び電極50と電気的に接続されている。配線40は、第1金属層41と、第1金属層41の上面に積層された第2金属層42とを有している。配線40は直線状には限定されず、任意のパターンとすることができる。又、配線40は、任意の幅及び任意の長さとすることができる。なお、図1では、便宜上、配線40及び電極50を抵抗体30よりも薄い梨地模様で示している。
電極50は、基材10上に形成され、配線40を介して抵抗体30と電気的に接続されており、例えば、配線40よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極50は、ひずみにより生じる抵抗体30の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。
電極50は、一対の第1金属層51と、各々の第1金属層51の上面に積層された第2金属層52とを有している。第1金属層51は、配線40の第1金属層41を介して抵抗体30の終端30e1及び30e2と電気的に接続されている。第1金属層51は、平面視において、略矩形状に形成されている。第1金属層51は、配線40と同じ幅に形成しても構わない。
なお、抵抗体30と第1金属層41と第1金属層51とは便宜上別符号としているが、同一工程において同一材料により一体に形成できる。従って、抵抗体30と第1金属層41と第1金属層51とは、厚さが略同一である。又、第2金属層42と第2金属層52とは便宜上別符号としているが、同一工程において同一材料により一体に形成できる。従って、第2金属層42と第2金属層52とは、厚さが略同一である。
第2金属層42及び52は、抵抗体30(第1金属層41及び51)よりも低抵抗の材料から形成されている。第2金属層42及び52の材料は、抵抗体30よりも低抵抗の材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、抵抗体30がCr混相膜である場合、第2金属層42及び52の材料として、Cu、Ni、Al、Ag、Au、Pt等、又は、これら何れかの金属の合金、これら何れかの金属の化合物、或いは、これら何れかの金属、合金、化合物を適宜積層した積層膜が挙げられる。第2金属層42及び52の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、3μm~5μm程度とすることができる。
第2金属層42及び52は、第1金属層41及び51の上面の一部に形成されてもよいし、第1金属層41及び51の上面の全体に形成されてもよい。第2金属層52の上面に、更に他の1層以上の金属層を積層してもよい。例えば、第2金属層52を銅層とし、銅層の上面に金層を積層してもよい。或いは、第2金属層52を銅層とし、銅層の上面にパラジウム層と金層を順次積層してもよい。電極50の最上層を金層とすることで、電極50のはんだ濡れ性を向上できる。
このように、配線40は、抵抗体30と同一材料からなる第1金属層41上に第2金属層42が積層された構造である。そのため、配線40は抵抗体30よりも抵抗が低くなるため、配線40が抵抗体として機能してしまうことを抑制できる。その結果、抵抗体30によるひずみ検出精度を向上できる。
言い換えれば、抵抗体30よりも低抵抗な配線40を設けることで、ひずみゲージ1の実質的な受感部を抵抗体30が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体30によるひずみ検出精度を向上できる。
特に、抵抗体30としてCr混相膜を用いたゲージ率10以上の高感度なひずみゲージにおいて、配線40を抵抗体30よりも低抵抗化して実質的な受感部を抵抗体30が形成された局所領域に制限することは、ひずみ検出精度の向上に顕著な効果を発揮する。又、配線40を抵抗体30よりも低抵抗化することは、横感度を低減する効果も奏する。
カバー層60(絶縁樹脂層)は、基材10上に形成され、抵抗体30及び配線40を被覆し電極50を露出する。配線40の一部は、カバー層60から露出してもよい。抵抗体30及び配線40を被覆するカバー層60を設けることで、抵抗体30及び配線40に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層60を設けることで、抵抗体30及び配線40を湿気等から保護できる。なお、カバー層60は、電極50を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
カバー層60は、例えば、PI樹脂、エポキシ樹脂、PEEK樹脂、PEN樹脂、PET樹脂、PPS樹脂、複合樹脂(例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂)等の絶縁樹脂から形成できる。カバー層60は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層60の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、2μm~30μm程度とすることができる。
カバー層60は、上面から基材10の方向に窪む複数の凹部60xを備えている。したがって、カバー層60の上面の粗度は、カバー層60の側面の粗度よりも大きい。カバー層60の上面に開口する凹部60xを設けることで、凹部60xの表面積を含むカバー層60の上面の面積を増やすことができる。これにより、カバー層60の上面は、高い撥水性を発揮し、水分の浸透を防ぐことができる。
前述のように、従来のひずみゲージを高温高湿環境で使用すると、水滴がカバー層の上面に付着して蒸発することで、カバー層の上面の汚れを集めて濃縮してしまう場合がある。汚れが濃縮されると、酸又はアルカリに傾いた基点が発生してカバー層を劣化させ、結果的に、水分の浸透により、カバー層に被覆された配線の腐食を引き起こしてしまう。
本願では、複数の凹部60xを有するカバー層60が、高い撥水性を発揮して水分の浸透を防ぐため、カバー層60に被覆された配線40の腐食を抑制できる。特に、配線40の第2金属層42が銅を含む場合、銅が腐食されやすいため、カバー層60の上面に凹部60xを設けて水分の浸透を防ぐことは有効である。
カバー層60の上面が高い撥水性を発揮するためには、カバー層60の上面の面積をできるだけ大きくする必要があるため、カバー層60の上面に多数の微細な凹部60xを設けることが好ましい。凹部60xが形成されていない場合のカバー層60の上面の面積を1とした場合、凹部60xを形成した場合の凹部60xの表面積を含むカバー層60の上面の面積は、1.36以上であることが好ましく、2.00以上であることがより好ましい。このような表面積であれば、カバー層60の上面が高い撥水性を発揮して、カバー層60の上面からの水分の浸透を十分に抑制できる。
例えば、凹部60xが幅10μmの立方体でピッチ20μm(アスペクト比1:2)であれば、凹部60xが形成されていない場合のカバー層60の上面の面積を1とした場合、凹部60xを形成した場合の凹部60xの表面積を含むカバー層60の上面の面積が1.36となる。また、凹部60xが幅10μmの立方体でピッチ10μm(アスペクト比1:1)であれば、凹部60xが形成されていない場合のカバー層60の上面の面積を1とした場合、凹部60xを形成した場合の凹部60xの表面積を含むカバー層60の上面の面積が2.00となる。
凹部60xは、円柱状、楕円柱状、四角柱状等の任意の形状とすることができるが、表面積を大きくする観点から、四角柱状とすることが好ましい。すなわち、凹部60xは、1つの底面と、この底面と接続する4つの内側面とを備えていることが好ましい。凹部60xが四角柱状である場合、凹部60xは、例えば、縦が5~15μm、横が5~15μm、深さが5~15μm程度とすることができる。また、隣接する凹部60x同士の間隔は、例えば、5~15μm程度とすることができる。
カバー層60の上面における凹部60xの数密度は、900個/mm2以上であることが好ましく、2500個/mm2以上であることがより好ましい。このような数密度であれば、カバー層60の上面が高い撥水性を発揮して、カバー層60の上面からの水分の浸透を十分に抑制できる。
例えば、凹部60xが幅10μmの立方体でピッチ20μm(アスペクト比1:2)であれば、カバー層60の上面における凹部60xの数密度が900個/mm2となる。また、凹部60xが幅10μmの立方体でピッチ10μm(アスペクト比1:1)であれば、カバー層60の上面における凹部60xの数密度が2500個/mm2となる。
カバー層60の上面の法線方向から視て、凹部60xは、カバー層60の上面に所定のパターンで規則的に配列されている。ここでいう『規則的に配列されている』とは、同じパターンが繰り返し表れるように意図的に配列したものを指す。本実施形態では、複数の凹部60xが行列状に配列されているが、これには限定されず、例えば、千鳥状等に配列されてもよいし、規則的であれば、その他の任意の配列であってもよい。
凹部60xを規則的に配列することで、カバー層60の上面全体において、ほぼ均一な撥水性が得られる。カバー層60の上面は、水との接触角が90度以上であることが好ましく、120度以上であることがより好ましい。このような接触角であれば、カバー層60の上面が高い撥水性を発揮して、カバー層60の上面からの水分の浸透を十分に抑制できる。
ひずみゲージ1を製造するためには、まず、基材10を準備し、基材10の上面10aに金属層(便宜上、金属層Aとする)を形成する。金属層Aは、最終的にパターニングされて抵抗体30、第1金属層41、及び第1金属層51となる層である。従って、金属層Aの材料や厚さは、前述の抵抗体30、第1金属層41、及び第1金属層51の材料や厚さと同様である。
金属層Aは、例えば、金属層Aを形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜できる。金属層Aは、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。
ゲージ特性を安定化する観点から、金属層Aを成膜する前に、下地層として、基材10の上面10aに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により所定の膜厚の機能層を真空成膜することが好ましい。
本願において、機能層とは、少なくとも上層である金属層A(抵抗体30)の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層は、更に、基材10に含まれる酸素や水分による金属層Aの酸化を防止する機能や、基材10と金属層Aとの密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層は、更に、他の機能を備えていてもよい。
基材10を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に金属層AがCrを含む場合、Crは自己酸化膜を形成するため、機能層が金属層Aの酸化を防止する機能を備えることは有効である。
機能層の材料は、少なくとも上層である金属層A(抵抗体30)の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Cr(クロム)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、Ni(ニッケル)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、Si(シリコン)、C(炭素)、Zn(亜鉛)、Cu(銅)、Bi(ビスマス)、Fe(鉄)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Re(レニウム)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Au(金)、Co(コバルト)、Mn(マンガン)、Al(アルミニウム)からなる群から選択される1種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。
上記の合金としては、例えば、FeCr、TiAl、FeNi、NiCr、CrCu等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、TiN、TaN、Si3N4、TiO2、Ta2O5、SiO2等が挙げられる。
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の1/20以下であることが好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを防止できる。
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の1/50以下であることがより好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを更に防止できる。
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の1/100以下であることが更に好ましい。このような範囲であると、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを一層防止できる。
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、1nm~1μmとすることが好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく容易に成膜できる。
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、1nm~0.8μmとすることがより好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく更に容易に成膜できる。
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、1nm~0.5μmとすることが更に好ましい。このような範囲であると、α-Crの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく一層容易に成膜できる。
なお、機能層の平面形状は、例えば、図1に示す抵抗体の平面形状と略同一にパターニングされている。しかし、機能層の平面形状は、抵抗体の平面形状と略同一である場合には限定されない。機能層が絶縁材料から形成される場合には、抵抗体の平面形状と同一形状にパターニングしなくてもよい。この場合、機能層は少なくとも抵抗体が形成されている領域にベタ状に形成されてもよい。或いは、機能層は、基材10の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
又、機能層が絶縁材料から形成される場合に、機能層の厚さを50nm以上1μm以下となるように比較的厚く形成し、かつベタ状に形成することで、機能層の厚さと表面積が増加するため、抵抗体が発熱した際の熱を基材10側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ1において、抵抗体の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。
機能層は、例えば、機能層を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にAr(アルゴン)ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜できる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材10の上面10aをArでエッチングしながら機能層が成膜されるため、機能層の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。
但し、これは、機能層の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層を成膜してもよい。例えば、機能層の成膜の前にAr等を用いたプラズマ処理等により基材10の上面10aを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層を真空成膜する方法を用いてもよい。
機能層の材料と金属層Aの材料との組み合わせは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、機能層としてTiを用い、金属層Aとしてα-Cr(アルファクロム)を主成分とするCr混相膜を成膜可能である。
この場合、例えば、Cr混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にArガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、金属層Aを成膜できる。或いは、純Crをターゲットとし、チャンバ内にArガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、金属層Aを成膜してもよい。この際、窒素ガスの導入量や圧力(窒素分圧)を変えることや加熱工程を設けて加熱温度を調整することで、Cr混相膜に含まれるCrN及びCr2Nの割合、並びにCrN及びCr2N中のCr2Nの割合を調整できる。
これらの方法では、Tiからなる機能層がきっかけでCr混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα-Crを主成分とするCr混相膜を成膜できる。又、機能層を構成するTiがCr混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ1のゲージ率を10以上、かつゲージ率温度係数TCS及び抵抗温度係数TCRを-1000ppm/℃~+1000ppm/℃の範囲内とすることができる。なお、機能層がTiから形成されている場合、Cr混相膜にTiやTiN(窒化チタン)が含まれる場合がある。
なお、金属層AがCr混相膜である場合、Tiからなる機能層は、金属層Aの結晶成長を促進する機能、基材10に含まれる酸素や水分による金属層Aの酸化を防止する機能、及び基材10と金属層Aとの密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層として、Tiに代えてTa、Si、Al、Feを用いた場合も同様である。
このように、金属層Aの下層に機能層を設けることにより、金属層Aの結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる金属層Aを作製できる。その結果、ひずみゲージ1において、ゲージ特性の安定性を向上できる。又、機能層を構成する材料が金属層Aに拡散することにより、ひずみゲージ1において、ゲージ特性を向上できる。
次に、金属層Aの上面に、第2金属層42及び第2金属層52を形成する。第2金属層42及び第2金属層52は、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。
具体的には、まず、金属層Aの上面を覆うように、例えば、スパッタ法や無電解めっき法等により、シード層を形成する。次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して第2金属層42及び第2金属層52を形成する領域を露出する開口部を形成する。このとき、レジストの開口部の形状を調整することで、第2金属層42のパターンを任意の形状とすることができる。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。
次に、例えば、シード層を給電経路とする電解めっき法により、開口部内に露出するシード層上に第2金属層42及び第2金属層52を形成する。電解めっき法は、タクトが高く、かつ、第2金属層42及び第2金属層52として低応力の電解めっき層を形成できる点で好適である。膜厚の厚い電解めっき層を低応力とすることで、ひずみゲージ1に反りが生じることを防止できる。なお、第2金属層42及び第2金属層52は無電解めっき法により形成してもよい。
次に、レジストを除去する。レジストは、例えば、レジストの材料を溶解可能な溶液に浸漬することで除去できる。
次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して、図1の抵抗体30、配線40、及び電極50と同様の平面形状にパターニングする。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。そして、レジストをエッチングマスクとし、レジストから露出する金属層A及びシード層を除去し、図1の平面形状の抵抗体30、配線40、及び電極50を形成する。
例えば、ウェットエッチングにより、金属層A及びシード層の不要な部分を除去できる。金属層Aの下層に機能層が形成されている場合には、エッチングによって機能層は抵抗体30、配線40、及び電極50と同様に図1に示す平面形状にパターニングされる。なお、この時点では、抵抗体30、第1金属層41、及び第1金属層51上にシード層が形成されている。
次に、第2金属層42及び第2金属層52をエッチングマスクとし、第2金属層42及び第2金属層52から露出する不要なシード層を除去することで、第2金属層42及び第2金属層52が形成される。なお、第2金属層42及び第2金属層52の直下のシード層は残存する。例えば、シード層がエッチングされ、機能層、抵抗体30、配線40、及び電極50がエッチングされないエッチング液を用いたウェットエッチングにより、不要なシード層を除去できる。
その後、基材10の上面10aに、抵抗体30及び配線40を被覆し電極50を露出するカバー層60を設ける。具体的には、まず、あらかじめ金型等により上面に複数の凹部60xを形成した半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムを準備する。そして、例えば、基材10の上面10aに、抵抗体30及び配線40を被覆し電極50を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートする。そして、半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムを加熱及び加圧して硬化させることで、カバー層60となる。ラミネートは、真空雰囲気中で行うことが好ましい。以上の工程により、ひずみゲージ1が完成する。
なお、上面に凹部60xが形成されていない熱硬化性の絶縁樹脂フィルムを準備し、基材10の上面10aに、抵抗体30及び配線40を被覆し電極50を露出するようにラミネートし、その後、金型等で凹部60xを形成する方法も考えられる。しかし、この場合は、金型等で凹部60xを形成する際に抵抗体30等にストレスを与え、断線等を招くおそれがある。そのため、あらかじめ上面に複数の凹部60xを形成した半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムを基材10にラミネートする方法が好ましい。
なお、抵抗体30、第1金属層41、及び第1金属層51の下地層として基材10の上面10aに機能層を設けた場合には、ひずみゲージ1は図5に示す断面形状となる。符号20で示す層が機能層である。機能層20を設けた場合のひずみゲージ1の平面形状は、例えば、図1と同様となる。但し、前述のように、機能層20は、基材10の上面の一部又は全部にベタ状に形成される場合もある。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、本発明は、基材上に抵抗体が複数個形成されたひずみゲージにも適用可能である。本発明は、例えば、基材上に形成された2つの抵抗体によりハーフブリッジ回路を構成するひずみゲージにも適用可能である。あるいは、本発明は、例えば、基材上に形成された4つの抵抗体によりフルブリッジ回路を構成するひずみゲージにも適用可能である。
1 ひずみゲージ、10 基材、10a 上面、20 機能層、30 抵抗体、30e1、30e2 終端、40 配線、50 電極、41、51 第1金属層、42、52 第2金属層、60 カバー層、60x 凹部
Claims (12)
- 可撓性を有する基材と、
前記基材上に形成された抵抗体と、
前記基材上に形成され、前記抵抗体と電気的に接続された配線と、
前記基材上に形成され、前記抵抗体及び前記配線を被覆する絶縁樹脂層と、を有し、
前記絶縁樹脂層は、上面から前記基材の方向に窪む複数の凹部を備えている、ひずみゲージ。 - 前記絶縁樹脂層の上面の法線方向から視て、前記凹部は、前記絶縁樹脂層の上面に規則的に配列されている、請求項1に記載のひずみゲージ。
- 前記凹部は、1つの底面と、前記底面と接続する4つの内側面と、を備えている、請求項1又は2に記載のひずみゲージ。
- 前記絶縁樹脂層の上面の粗度は、前記絶縁樹脂層の側面の粗度よりも大きい、請求項1乃至3の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記凹部が形成されていない場合の前記絶縁樹脂層の上面の面積を1とした場合、前記凹部を形成した場合の前記凹部の表面積を含む前記絶縁樹脂層の上面の面積は、1.36以上である、請求項1乃至4の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記絶縁樹脂層の上面は、水との接触角が90度以上である、請求項1乃至5の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記配線は、前記抵抗体と同一材料により形成された第1金属層と、前記第1金属層の上面に形成された第2金属層と、を含む、請求項1乃至6の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記第2金属層は、銅を含む、請求項7に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体は、Cr、CrN、及びCr2Nを含む膜から形成されている請求項1乃至8の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- ゲージ率が10以上である請求項9に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体に含まれるCrN及びCr2Nは、20重量%以下である請求項9又は10に記載のひずみゲージ。
- 前記CrN及び前記Cr2N中の前記Cr2Nの割合は、80重量%以上90重量%未満である請求項11に記載のひずみゲージ。
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